Rèn tư duy phê phán cho học sinh thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm trong dạy học Vật lí ở trường phổ thông

JOURNAL OF SCIENCE OF HNUE Interdisciplinary Sci., 2014, Vol. 59, No. 1A, pp. 182-189 This paper is available online at RÈN TƯ DUY PHÊ PHÁN CHO HỌC SINH THÔNG QUA HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG Nguyễn Quang Linh1, Đỗ Hương Trà2 1Đại học Sư phạm, Đại học Thái Nguyên 2Khoa Vật lí, Trường Đại học Sư phạm Hà Nội Tóm tắt.Mục tiêu cuối cùng của dạy học là “dạy cách tư duy”, trong đó có tư duy phê phán. Có nhiều cách để phát triển tư duy của học sinh (HS). Trong bài viết này, chúng tôi sẽ đề cập đến phát triển tư duy phê phán của HS thông qua hoạt động giải các bài tập thí nghiệm trong dạy học vật lí ở trường trung học. Từ khóa: Tư duy phê phán, bài tập thí nghiệm, dạy học Vật lí. 1. Mở đầu Có nhiều cách phân loại tư duy, dựa trên các cơ sở khác nhau, thí dụ như: tâm lí học chia tư duy làm 2 loại là tư duy trừu tượng và tư duy trực quan [1]; triết học lại chia ra làm 3 loại là tư duy kinh nghiệm, tư duy lí luận và tư duy logic. Guilford J. P lại chia tư duy làm 2 loại là tư duy hội tụ và tư duy phân kì [2],. . . Trong bài viết này chúng tôi sử dụng cách phân loại của R. J. Sternberg [5], trong đó, tư duy chia thành 3 loại chính: tư duy phê phán (TDPP - critical thinking), tư duy sáng tạo (creative thinking), và tư duy thực tiễn (practical thinking). Chúng tôi quan tâm tới việc làm thế nào phát triển được TDPP của HS thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm (BTTN). TDPP đã được Socrate đề cập đến từ cách đây hơn 2000 năm, nhưng định nghĩa của John Dewey (nhà triết học, tâm lí học, giáo dục học người Mỹ) về TDPP mới được biết đến một cách rộng rãi. J. Dewey gọi TDPP là “reflective thinking” (suy nghĩ sâu sắc) và định nghĩa TDPP là: sự suy xét chủ động, liên tục, cẩn trọng về một niềm tin, một giả định khoa học có xét đến những lí lẽ bảo vệ nó và những kết luận xa hơn được nhắm đến. Định nghĩa của John Dewey nhấn mạnh đến tính chủ động của TDPP. Khi một người có TDPP, họ tự đặt ra câu hỏi, tự tìm các thông tin liên quan, .., hơn là học hỏi thụ động từ người khác. J. Dewey cũng nhấn mạnh đến tính liên tục của TDPP. TDPP đòi hỏi phải xem xét mọi vấn đề, mọi thông tin liên quan trước khi đi đến kết luận hoặc ra quyết định. Quan Liên hệ: Nguyễn Quang Linh, e-mail: nguyenquanglinhsptn@gmail.com 182 Rèn tư duy phê phán cho học sinh thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm... trọng nhất, định nghĩa của J. Dewey nói rằng niềm tin của chúng ta bị chi phối bởi sự suy luận, do đó, suy luận có vai trò quan trọng trong TDPP, cả suy luận và đánh giá suy luận đều có ý nghĩa tích cực. Trong TDPP, khả năng suy luận là yếu tố then chốt. Edward Glaser, đồng tác giả của một trắc nghiệm TDPP được sử dụng rộng rãi nhất thế giới là Watson-Glaser Critical Thinking Appraisal phát biểu về TDPP như sau: (1) là thái độ sẵn lòng quan tâm suy nghĩ chu đáo về những vấn đề và chủ đề xuất hiện trong cuộc sống cá nhân; (2) là sự hiểu biết về phương pháp điều tra và suy luận có lí; và (3) là một số kĩ năng trong việc áp dụng các phương pháp đó. TDPP đòi hỏi sự nỗ lực bền bỉ để khảo sát niềm tin hay giả thuyết bất kỳ có xem xét đến các bằng chứng khẳng định nó và những kết luận xa hơn được nhắm đến. Ý tưởng này của E. Glaser rất gần với ý tưởng của J. Dewey. Ông đề cập đến các “bằng chứng” thay cho các “ý tưởng” và ông cho rằng kĩ năng tư duy là một thành phần tất yếu của TDPP. Một người nổi tiếng trong nghiên cứu về TDPP là Robert Ennis cũng đã đưa ra định nghĩa về TDPP và được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực: TDPP là sự suy nghĩ sâu sắc, nhạy cảm, thực tế và hữu ích để quyết định niềm tin hay hành động. Các tác giả trước đó đã đề cập đến “sự suy nghĩ sâu sắc”, nhưng chính R. Ennis đã nhấn mạnh “để quyết định hành động”. Do đó, ra quyết định là một yếu tố của TDPP theo định nghĩa của R. Ennis. Như vậy, TDPP được biểu hiện ở nhiều góc độ, trong đó điển hình là tính hoài nghi tích cực. Tính hoài nghi tích cực của TDPP được thể hiện trong bất kì tình huống nào, vì trong bất kì hoạt động nào cũng cần đánh giá, xem xét một cách kĩ lưỡng ở nhiều khía cạnh để tìm ra kết luận tốt nhất với thái độ khách quan nhất. Đây cũng là những hành trang mà một người trong thời đại ngày nay cần trang bị cho riêng mình. Vì vậy giáo dục cần phải giúp HS phát triển được loại tư duy này. 2. Nội dung nghiên cứu 2.1. Các biểu hiện của TDPP trong dạy học Vật lí Trong dạy học Vật lí nói chung và trong dạy học bài tập thí nghiệm vật lí nói riêng, sự phát triển TDPP của HS được thể hiện qua những biểu hiện như: - Biết đề xuất câu hỏi về các hiện tượng vật lí, các thí nghiệm vật lí, các đại lượng vật lý. . . trong những điều kiện nhất định, diễn đạt chúng một cách rõ ràng, chính xác. Chúng thường đi kèm các câu hỏi: Tại sao lại. . . ? Nếu thay đổi . . . thì. . . .? Sẽ như thế nào nếu. . . ? Phải thế nào để. . . ? Làm thế nào. . . .? Có tác dụng gì. . . ? - Sẵn sàng xem xét các thông tin khác nhau và cân nhắc chúng một cách thận trọng với thái độ hoài nghi tích cực. Có khả năng lựa chọn các thông tin đã có, chế biến các thông tin mới để đánh giá tính hợp lí của cách phát hiện vấn đề cần giải quyết. Điều này thể hiện ở việc HS chưa vội vàng tin hay không tin để đưa ra kết luận về một sự vật, hiện tượng mà họ dường như chững lại để xem xét các biểu hiện của chúng ở nhiều góc độ khác 183 Nguyễn Quang Linh, Đỗ Hương Trà nhau, sau đó mới đưa ra kết luận. HS chỉ thực hiện đánh giá khi tất cả các thông tin đã được thu thập một cách đầy đủ và được cân nhắc một cách kĩ lưỡng. - Có khả năng đánh giá các quan điểm và sẵn sàng tranh luận. Có khả năng xác định được các tiêu chí khác nhau và vận dụng chúng để đánh giá các ý tưởng, các giải pháp. Ngoài việc đánh giá, suy xét các nhận định của bản thân, HS còn có thể đánh giá các nhận định, các phát biểu của HS khác hay của chính giáo viên. - Có khả năng loại bỏ những thông tin sai lệch và không hoặc ít liên quan; liên hệ một cách hiệu quả với những cách giải quyết khác cho những vấn đề phức tạp hơn. - Có khả năng điều chỉnh ý kiến và hành động khi những sự việc mới được tìm ra. HS chấp nhận thay đổi ý kiến của mình nếu tìm ra đủ các lập luận để bác bỏ nó. 2.2. Phát triển tư duy phê phán qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm vật lí 2.2.1. Bài tập thí nghiệm trong dạy học Vật lí Thí nghiệm là sự tác động có chủ định, có hệ thống của con người vào các đối tượng của hiện thực khách quan. Thông qua sự phân tích các điều kiện mà trong đó đã diễn ra sự tác động và các kết quả của sự tác động, ta có thể thu nhận được tri thức mới [7]. Bài tập thí nghiệm là bài tập nhất thiết phải tiến hành thí nghiệm để kiểm tra tính đúng đắn của một giả thuyết mới; một lí thuyết, một kết quả đã biết trước hay để thu thập các dữ liệu cần thiết cho việc giải bài tập. Thí nghiệm trong bài tập thí nghiệm thường là những thí nghiệm đơn giản có thể làm ở nhà, với những dụng cụ đơn giản dễ tìm, dễ làm. Để giải bài tập thí nghiệm, đôi khi cũng đòi hỏi HS phải tới phòng thí nghiệm vật lí của trường để thực hiện. Bài tập thí nghiệm có thể có dạng định tính hoặc định lượng mà việc giải các bài tập này đòi hỏi phải vận dụng tổng hợp các kiến thức lí thuyết và thực tế, các kĩ năng hoạt động trí óc và thực hành, các vốn hiểu biết về vật lí, kĩ thuật vào thực tế đời sống. Trong hoạt động giải, HS phải tự mình xây dựng các phương án, lựa chọn phương tiện, xác định các điều kiện thích hợp, tự mình thực hiện thí nghiệm theo quy trình đề xuất để thu thập, xử lí các dữ liệu nhằm giải quyết một cách khoa học, tối ưu bài toán cụ thể đã được đặt ra. Bài tập thí nghiệm có thể sử dụng với nhiều mục đích, vào những thời điểm khác nhau. Thông qua các bài tập thí nghiệm, HS được bồi dưỡng, phát triển năng lực tư duy phê phán và tư duy sáng tạo, năng lực thực nghiệm, năng lực hoạt động độc lập, bộc lộ rõ khả năng, sở trường, sở thích về vật lí. Do vậy, việc giải bài tập thí nghiệm góp phần tăng cường hứng thú, gắn học với hành, lí luận với thực tế, kích thích tính tích cực, tự lực, sáng tạo,. . . của HS. Đây cũng là một trong những biện pháp để phát hiện, bồi dưỡng những HS khá, giỏi, có tư duy vật lí tốt. 184 Rèn tư duy phê phán cho học sinh thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm... 2.2.2. Các bước chung giải một bài tập thí nghiệm Không thể nói về một phương pháp chung, vạn năng để giải mọi bài tập thí nghiệm. Tuy nhiên, vẫn có thể chỉ ra các bước khái quát, xem như một định hướng chung để giải bài tập thí nghiệm. Nhìn chung, tiến trình giải một bài tập thí nghiệm như trong Sơ đồ 1. Sơ đồ 1. Các bước giải bài tập thí nghiệm Sau khi tiến hành thí nghiệm và thu được kết quả ở cuối bước 4, nếu kết quả thu được ở bước 4 là không phù hợp (thí dụ nó mâu thuẫn với định lí, quy luật đã biết, có giá trị quá lớn hoặc quả nhỏ hơn so với giá trị thông thường. . . ) thì cần phải xem lại quá trình thiết kế, tiến hành thí nghiệm, thu thập số liệu. Sau khi HS trình bày kết quả và thảo luận mà không bảo vệ được kết quả của mình thì cần xem lại bước 3. Khác với các bài tập thông thường, sau khi đưa ra kết luận, HS cần vận dụng những kiến thức đó vào các tình huống mới (trở lại bước 1). Như vậy, tri thức, tư duy, kĩ năng của HS được liên tục phát triển. 2.2.3. Phát triển tư duy phê phán qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm Bài tập đề ra: Cho các dụng cụ sau: 1 cốc hình trụ, 1 đồng hồ bấm giây, 1 thước kẹp, 1 bình nhựa đã gắn sẵn 2 vòi nước. Hãy xây dựng các phương án để: a. Xác định tốc độ nước chảy ra ở đầu mỗi vòi nước. b. Xác định độ chênh lệch về độ cao của 2 vòi trong bình. Với bài tập trên, hoạt động giải có thể như sau: a. Để xác định tốc độ nước chảy ra ở đầu vòi ta có 3 cách: Cách 1 (a1): Dùng thước đo tầm xa L của tia nước, đo độ cao h của vòi nước so với mặt phẳng ngang, từ đó căn cứ vào phương trình tọa độ của chuyển động ném ngang ta tìm được tốc độ nước chảy ra ở đầu vòi theo công thức: v = L √ g 2h . 185 Nguyễn Quang Linh, Đỗ Hương Trà Cách 2 (a2): Dùng thước đo chiều cao, đường kính của cốc từ đó xác định được thể tích V của cốc, dùng thước đo đường kính trong của đầu vòi nước từ đó xác định được tiết diện S của vòi nước. Dùng đồng hồ đo thời gian t nước chảy đầy cốc. Từ đó ta xác định được tốc độ cần tìm: v = V S:t . Cách 3 (a3r): Dùng thước đo chiều cao h của cột nước, căn cứ vào định luật Becnuli ta tìm được: v = √ 2gh. Hình 1. Bình khi chưa có nước Hình 2. Bình khi mở 1 vòi nước Hình 3. Bình khi mở 2 vòi nước b. Để xác định độ chênh lệch về độ cao của 2 vòi trong bình ta có 2 cách: Cách 1 (b1r): Đo trực tiếp độ cao H bằng thước. Cách 2 (b2): Căn cứ vào kết quả đo tốc độ nước chảy ra ở đầu vòi. Theo định luật Becnuli ta đo thêm chiều cao của cột nước tương ứng với vị trí mỗi vòi sau đó ta có thể xác định độ chênh lệch độ chênh lệch về độ cao của 2 vòi trong bình dựa vào tốc độ nước ở hai đầu vòi v1, v2 theo công thức: H = v21 − v22 2g . Với bài tập này HS có thể sẽ gặp phải những khó khăn sau: - Không xác định được mối liên hệ giữa hiện tượng vật lí với các định luật vật lí, không biết định luật vật lí nào chi phối hiện tượng đó, ở đây là định luật Becnuli, chuyển động ném ngang. Khi đã xác định được hiện tượng vật lí và định luật chi phối chúng thì HS vẫn không biết vận dụng định luật vật lí vào xác định mối liên hệ giữa các đại lượng vật lí (chứa đại lượng cần tìm) với nhau, ở đây là phương trình của chuyển động ném ngang, biểu thức định luật Becnuli. Việc dự đoán những khó khăn sẽ giúp GV dễ dàng hơn trong việc định hướng hoạt động giải một bài tập. Với mục đích rèn tư duy phê phán cho HS, kiểu định hướng phù hợp là kiểu định hướng tìm tòi. Hoạt động hướng dẫn giải có thể như sau: Bước 1: Tình huống có vấn đề GV đưa ra một bình nhựa đã gắn sẵn 2 vòi nước và hỏi: Nếu đổ nước vào bình thì hiện tượng gì xảy ra? Vì sao? Liệu có thể đo tốc độ nước chảy ở đầu vòi được hay không? 186 Rèn tư duy phê phán cho học sinh thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm... Bước 2: Tiếp nhận tình huống HS hình dung hiện tượng có thể xảy ra (Nước chảy ra khỏi vòi). Những câu hỏi HS đưa ra: Tại sao nước có thể chảy ra khỏi vòi? Nước chảy ra từ 2 vòi có giống nhau hay không? Nếu không thì vì sao? Nó phụ thuộc vào yếu tố gì? Làm thế nào đo được tốc độ nước chảy? ,. . . Như vậy, với việc xem xét hiện tượng (nước chảy ra khỏi vòi), HS đề ra những câu hỏi xung quanh hiện tượng và phân tích những dữ kiện đã cho (tình huống cho giới hạn các dụng cụ thí nghiệm), yêu cầu của tình huống (đại lượng cần tìm? mối quan hệ nào?...). Từ đó, HS xác định nội dung bài tập cần giải quyết. Bước 3: Thiết kế, tiến hành thí nghiệm, thu thập số liệu HS độc lập thiết kế thí nghiệm. Nhóm 2 HS tiến hành thí nghiệm theo phương án đã thiết kế để thu thập số liệu. Kết quả hoạt động cá nhân được trình bày trước nhóm. Những câu hỏi được lặp đi lặp lại như: Phương án như vậy có được không? Liệu có cách nào khác? a. Tìm tốc độ nước chảy ra ở đầu vòi v - Dựa vào dạng quỹ đạo bán parabol của tia nước (tương tự quỹ đạo chuyển động của vật ném ngang) ta tìm được v = L √ g 2h → cách (a1r). Vậy, cần đo tầm xa của tia nước L, độ cao của vòi nước so với mặt chân đế h. - Coi nước chảy ra như một ống dòng có tiết diện S, khi đó: v = V S:t → cách (a2r). Vậy, cần xác định tiết diện S của đầu vòi, đo thể tích V của cốc, đo thời gian t nước chảy đầy cốc. - Dựa vào định luật Becnuli→ v = √2gh. Đó là cách (a3r), vậy cần xác định chiều cao h của cột nước (từ đầu vòi tới mặt nước). b. Xác định được độ chênh lệch về độ cao của 2 vòi trong bình - Dùng thước đo trực tiếp→ cách (b1r). - Dựa vào định luật Becnuli ta được H = v21 − v22 2g → cách (b2). Vậy, cần xác định tốc độ nước ở hai đầu vòi v1, v2 theo một trong 2 cách ở trên. Bước 4: Xử lí, biện luận kết quả Những câu hỏi HS đặt ra trong nhóm hai HS: - Kết quả thu được có phù hợp với kết quả tính toán không? - Kết quả thu được có phù hợp với thực tế không? Có quá lớn hay quá nhỏ không? - Có gì sai sót trong quá trình đo? Đo như vậy có chính xác không? - Khi tiến hành thí nghiệm, cần chú ý những vấn đề gì để kết quả thu được là chính xác nhất? Kết quả thảo luận cần dẫn đến: 187 Nguyễn Quang Linh, Đỗ Hương Trà - Theo phương án (a1r), (a3r), (b1r): Khi đọc giá trị đo trên thước kẹp, khi đo L; h phải đảm bảo các đoạn cần đo nằm trong cùng mặt phẳng thẳng đứng; điểm đầu, điểm cuối của đoạn cần đo phải đúng vị trí của chúng; tốc độ nước chảy thay đổi liên tục nên cần xác định L; h trong khoảng thời gian đủ nhỏ. - Theo phương án (a2): Việc bấm đồng hồ phải dứt khoát và đúng thời điểm; quá trình đo đường kính của vòi là khó khăn, dễ xảy ra sai số lớn vì tiết diện vòi rất nhỏ nên cần làm thận trọng, tỉ mỉ. - Theo phương án (b2): Cần thực hiện các phép đo để xác định v1; v2 ở cùng một thời điểm. Bước 5: Trình bày, thảo luận, bảo vệ kết quả Các nhóm hai trình bày kết quả của mình, sau đó so sánh phương án thiết kế, bố trí thí nghiệm, kết quả và đưa ra các lí lẽ bảo vệ kết quả của mình cũng như những câu hỏi mà nhóm đã đặt ra trong quá trình thí nghiệm. Các câu hỏi được giáo viên ghi lại trên giấy khổ lớn để tiện cho việc thảo luận. Các câu hỏi là: - Tại sao phương án của nhóm đưa ra là hợp lí/chưa hợp lí? (Vì căn cứ vào các lập luận về lời giải). - Tại sao phải tiến hành đo nhiều lần? (Nhằm giảm sai số, tăng độ tin cậy của giá trị đo). - Với lượng dụng cụ như vậy thì trong trường hợp nào kết quả phép đo có độ tin cậy cao? (Kết quả đo là chính xác hơn nếu trong quá trình chảy, nước luôn chảy với đường dòng có mặt cắt bằng với diện tích đầu vòi (nước chảy không có xoáy nước); Tiết diện của bình và của vòi nước càng chênh lệch nhau càng tốt; Tốc độ nước chảy phải đủ lớn). - Liệu có phương án khác không? Trong các phương án đó, phương án nào tối ưu hơn? Vì sao? Bước 6: Vận dụng tri thức, phát triển bài tập HS được yêu cầu đưa ra các trường hợp có thể có để mở rộng bài toán, tìm ứng dụng vào các tình huống tương tự trong cuộc sống như: Xác định tốc độ nước ở đường ống nước nhà mình, xác định áp suất ở vòi nước nhà mình. . . Bằng việc khuyến khích HS đặt câu hỏi và qua hoạt động giải một bài tập thí nghiệm vật lí, giờ học đã tạo ra được môi trường giao tiếp hiệu quả, môi trường học tập tích cực và câu hỏi thực sự là công cụ khai thác kiến thức của HS, giúp HS biết xem xét một vấn đề dưới nhiều góc độ, biết lập luận để bảo vệ hoặc tranh luận. Qua đó, phát triển tư duy phê phán, đồng thời, giáo viên có thể đánh giá kết quả của hoạt động học. 3. Kết luận Tư duy phê phán đòi hỏi cả kĩ năng lập luận lẫn kĩ năng giải quyết vấn đề (reasoning and problem solving) và hai kĩ năng này bổ sung cho nhau. Thông qua giải quyết một tình huống (bài tập thí nghiệm vật lí), HS được rèn kĩ năng: 188 Rèn tư duy phê phán cho học sinh thông qua hoạt động giải bài tập thí nghiệm... - Quan sát luôn tò mò đặt câu hỏi và tìm những câu trả lời cho yêu cầu đặt ra. - Đặt câu hỏi, kiểm tra và tự thử thách những điều mình vốn tin, những quan điểm, suy nghĩ, những giả sử mình hay người khác đặt ra xem chúng có đúng sự thật không? - Nhận thức được vấn đề cần giải quyết (xây dựng được nội dung bài tập), đánh giá độ vững chắc của tư duy và lập luận (đặt câu hỏi phản biện), đưa ra những quyết định sáng suốt và tìm ra được những giải pháp (các phương án thí nghiệm). Bài tập thí nghiệm, do đặc thù của mình, có nhiều cơ hội rèn TDPP cho HS. Qua đó, rèn nhân cách cho người học như tính độc lập, sự tự chủ. Tuy nhiên để sử đụng bài tập thí nghiệm trong thực tiễn một cách hiệu quả thì cần đổi mới mục tiêu dạy học (chú trọng vào đánh giá năng lực), cần có cơ chế cụ thể giúp giáo viên khai thác hiệu quả bài tập thí nghiệm trong dạy học, cần có cơ chế khuyến kích HS làm bài tập thí nghiệm,. . . TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Guilford J.P., 1970. Creativity American Psychologist. The Haworth Press, Inc. New York. [2] Benjamin Bloom, 1956. Taxonomy of educational objectives: Handbook I, The cognitive domain. New York, David McKay &Co (With D. Krathwohl et al.). [3] Benjamin Bloom, 1964. Taxonomy of educational obectives: Volume II, The affective domain. New York, David McKay & Co (With B. Masia and D. Krathwohl.). [4] Jacques Boisvert, 2000. La formation de la pensée critique: Théorie et pratique. De Boeck Supérieur. [5] R. Keith Sawyer, Vera John-Steiner, Seana Moran and Robert J. Sternberg, 2003. Creativity and Development (Counterpoints: Cognition, Memory, and Language). [6] Nguyễn Đức Thâm, Nguyễn Ngọc Hưng, Phạm Xuân Quế, 2004. Lí luận dạy học Vật lí ở trường phổ thông. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [7] Nguyễn Quang Uẩn, 2004. Giáo trình tâm lí học đại cương. Nxb Đại học Sư phạm Hà Nội. [8] cua.html RÈN TƯ DUY PHÊ PHÁN CHO HỌC SINH THÔNG QUA HOẠT ĐỘNG GIẢI BÀI TẬP THÍ NGHIỆM TRONG DẠY HỌC VẬT LÍ Ở TRƯỜNG PHỔ THÔNG ABSTRACT Develope critical thinking for high school students using physics experiment activities The ultimate goal of teaching is to teach thinking, that include critical thinking. There are many methods to develop students’ thinking. In this article, we propsed a method of developing critical thinking using physics experiment activities in high school. 189